北航自然辩证法概论课程论文

2015-2016学年第二学期

《自然辩证法概论》期末课程论文

物质微观结构探索与应用推动未来科技——宏观、微观、纳米到量子力学在工程领域的应用

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物质微观结构探索与应用推动未来科技

——宏观、微观、纳米到量子力学在工程领域的应用

摘要：从人类开始使用工具以来，物质微观结构的探索与应用始终是人类科技进步的源动力。本文从材料、化学、生物学的角度系统的介绍了人类探索物质微观结构的历史，并且结合微观科学在物质组成的观点发展，以自然辩证的角度提出随着对于物质微观结构的认识不断深入，现存的科学原理或者技术可能是不完善的，甚至是完全错误的观点，并且对人类应该如何正确认识自然，以及对未来的科学技术的发展进行了讨论。

关键词：微观结构；力学发展；科学原理；自然认识

1 引言

物质的微观结构涉及到材料、化学、生物学、物理学等诸多领域，是指物质、生物、细胞在显微镜下的结构，以及分子，原子，甚至亚原子的结构。从人类开始制造、使用工具开始，各领域科学技术的不断进步始终伴随着对于物质微观结构的认识深入，并且对于先前提出的原理或技术加以否定和完善。

当代的科学和技术革命，使科学技术步入了大科学时代。材料、能源和信息是构成人工自然的三大要素。以往的科学革命，主要发生在宏观的物体的认识与发现，例如以牛顿力学为代表的第一次科学革命，而当代的科学革命则是以发现物质的微观结构为中心展开的[1]。然而，对于物质微观结构的认识总是进展缓慢的，这是由于微观具有难以观测、难以实验等特点。但是，现在科学技术的研究基础往往是基于对物质微观结构认知基础上的，历史也同样证明，人类不断采用的新技术都是基于具有微观的结构。

前人对于物质组成与结构的研究与结论往往是错误和不完善的，但是总是逐渐的逼近客观事实的真相，科学发现的过程就是一个螺旋上升的过程。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。

本文通过论述材料、化学、生物领域内，物质微观结构的认知推动科学发展的历程，以自然辩证的角度提出随着对于物质微观结构的认识不断深入，现存的科学原理或者技术可能是不完善的，甚至是完全错误的观点。虽然人类不可能真正的认知客观事实，但是可以无限地接近。

2 物质微观结构的研究发展

2.1 晶体结构的探索推动材料科学

材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，历来是生产力的标志，人类社会的里程碑。对材料认识和利用的能力，决定社会形态和人类生活质量，所以人类从没中断过追求更好材料，让材料具有更加优异的性质或是新的功能来满足人类设会发展中层出不穷的新需要和追求。各种材料是人类使用制造机械设备、桥梁建筑必不可少的工具。从石器时代开始，人类学会使用稻草来建造房屋，用石头制造工具。人类对于物质成分的进一步认识产生了各种金属器。然而，直到近代对于晶体微观结构的认识，真正的使人类的制造、通讯、交通等产业得到了迅速腾飞。例如，没有半导体单晶硅材料，便不能有今天的微电子工业。没有低损耗的光导纤维，也不会产生光纤通讯。对于有一种新材料的出现，常常引起生产力大发展推动社会进步，正是如此才有了人类丰富多彩、璀璨夺目的世界与文化。

2.2 分子、原子的探索推动化学科学

原子的概念最早是古希腊的德谟克利特所提出的，原意是不可分割；但是到了近代汤姆逊发现了电子，这表明原子具有更加微观的结构，他提出了葡萄干糟糕模型；后来他的学生卢瑟福在α粒子散射实验结果的基础上，提出了原子的核式结构，即带正电的而且几乎集中了原子全部质量的部分分布于一个极小的空间（原子核），核外电子绕核运动；再后来就是玻尔在卢瑟福原子模型的基础上提出了三条违背经典物理学的假设，非常好的解释了氢原子的光谱，即氢原子的玻尔理论。化学的分析方法正是建立在原子理论的基础之上的，几千年来，人类不断发现和利用各种化学反应来改造世界，创造生活，但是真正意义上的对化学反应进行合理解释却推迟到近二百年前的微观原子结构的发现，以门捷列夫为代表的元素周期表的绘制正式宣告了人类对于化学有了成功的解释。现代化学更是发展到了电子的尺度对一些现象进行解释和实验验证，从而使得人类更好的应用化学改造世界。

2.3 细胞结构的探索推动生物科学

科学上的重大发现总是和技术上的进步分不开的。十七世纪显微镜的发明,把人眼的分辨能力扩大了几百倍，导致了生命体的微观结构—细胞的发现。胡克在1665年用他的复式显微镜观察软木，发现软木是由许多小室构成的，并把这些小室称为细胞[2]。施莱顿和施旺在1838—1839年间提出细胞学说，宣称细胞是生物的形态结构和功能活动的基本单位，论证了生物界的统一性。1867年德国植物学家霍夫迈斯特和1873年的施奈德分别对植物和动物比较详细地叙述了间接分裂；德国细胞学家弗勒明1882年在发现了染色体的纵分裂之后提出了有丝分裂这一名称以代替间接分裂，霍伊泽尔描述了在间接分裂时的染色体分布；

在他之后，施特拉斯布格把有丝分裂划分为直到现在还通用的前期、中期、后期、末期；他和其他学者还在植物中观察到减数分裂，经过进一步研究终于区别出单倍体和双倍体染色体数目。现代分子生物的发展对于细胞生物学的形成和发展起了决细胞上的广泛应用，目前已有可能得到足够量定性作用，并且广泛应用于遗传、农业等领域。从对人体进行解剖，到利用显微镜观测动植物组织，到现在利用电子显微镜观察更加细胞内部结构，人类对于生物科学的认识是建立在细胞的发现和实验的基础之上的。

2.4 微观结构认知的辩证关系

19世纪临近终结时,不少物理学家和化学家都相信科学的重大规律已被发现无遗。当时一些有影响的物理学家曾经说过：“未来的物理学只是让数据精确到小数点后面第几位数的问题了。”然而，第二次科学革命是20世纪初由爱因斯坦等科学家建立的相对论和由波尔、薛定谔、海森堡、泡利等人建立的量子力学[3]。量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。他的研究内容主要集中在分子、原子、凝聚态物质以及原子核和基本粒子结构、性质的基础理论。它是20世纪几乎所有重大发现发明的原始推动力。虽然量子力学理论仍然存在着不完善性和一些猜想假设，但是绝大部分的原理已经被实验所证实。

正如上述的几种微观结构在材料、化学、生物领域的发现与成功应用，推动了人类科学技术的发展与进步，量子力学的探索也将逐步进入到工程技术的层面上来，例如量子分析技术、量子计算机等产品将不断涌现。然而，由于物质微观结构具有难以观测、实验与改造等特点，在其不断探索与认知中必然伴随着假设与推论，这些根据现象提出的假设往往是不完善的，甚至是完全错误的。

古希腊人首先提出了世界组成的四元素说，包含土、水、气、火。这种观点认为世界来源于这四种元素，该思想在相当长的一段时间内影响着人类科学的发展。1777年舍勒在《火与空气》一书中指出：空气是由两种性质不同的气体组成，一种称为“火空气”，一种称为“浊空气”，提出了空气的组成理论。英国科学家道尔顿在十九世纪初提出原子理论，认为物质世界的最小单位是原子，原子是单一的、独立的、不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。道尔顿原子理论，是人类第一次依据科学实验的证据，成系统的阐述了微观物质世界，是人类对认识物质世界的一次深刻的，具有飞跃性的成就。现代量子力学与物质组成的研究由于其认知的困难性，更是混杂了不断的假设与猜想，如今已经可以解释绝大部分的物理现象。

虽然前人的研究与结论往往是错误和不完善的，但是总是逐渐的逼近客观事实的真相，科学发现的过程就是一个螺旋上升的过程。自然科学不断发现总是但随着谬论与批驳，人类终究不能在某一个时间段内完全的认识真正的自然客观规律，但是可以形成解释现象的不完善的结论或者原理，从而推动人类科技不断进步。

3 微观结构的自然客观认识规律